毕业论文-基于at89c51单片机的模拟路灯控制系统设计

基于AT89C51单片机的模拟路灯控制系统设计摘要随着城市建设和社会经济的迅速发展，城市道路照明作为城市文明与现代化程度的重要标志，已受到越来越多的关注，规模也在不断扩大。路灯是一个城市的照明系统不可分割更无可替代的一部分，现有的路灯管理的方式方法已远远不能满足城市路灯发展与管理的需要，必须依靠现代化的高科技管理手段。由于单片机具有集成度高，处理能力强，可靠性高，系统结构简单，价格低廉的优点，因此在路灯照明工程中被广泛应用。本系统采用MSC51系列单片机AT89C51和相关的光电检测设备来设计智能光控路灯控制器，利用51系列单片机可编程控制八位逻辑I/O端口实现路灯的智能化，达到节能、自动控制的目的,单片机采集光敏电阻或光电开关的信号控制路灯的亮灭，具有自动检测故障报警等功能，同时根据实际情况，通过计时系统来对时间进行有效的控制，在本设计中，输入是开关按钮，进行时间控制，显示是六个数码管和LED二极管，时间为正常24小时走时，可用按钮调节定时开关时间，通过程序实现按规定时间开关灯功能，由于路灯采用LED灯，节能环保，耗电量低，使用寿命长，可以获得很好的经济和环保效益。本系统实用性强、操作简单，能够有效地解决城市路灯照明系统存在的灯光控制方法和管理手段落后，所用灯具科技含量低等问题。关键词单片机，控制，LEDTHEDESIGNOFTHECONTROLSYSTEMOFSIMULATEDSTREETLAMPSABSTRACTALONGWITHTHERAPIDCITYCONSTRUCTIONANDDEVELOPMENTOFTHECOMMUNITYECONOMY,URBANLIGHTINGHASBEENONEOFTHECHIEFSIGNSTHATREPRESENTTHEURBANCIVILIZATIONLEVELSOITISANINCREASINGCONCERNANDITSSCALEHASBEENSTEADILYENLARGEDTHESTREETLIGHTISANINTEGRALPARTOFACITYLIGHTINGSYSTEMANDMEANSOFTHEEXISTINGSTREETLIGHTSHAVEBEENFARFROMBEINGABLETOMEETTHENEEDSOFTHEDEVELOPMENTANDMANAGEMENTOFURBANSTREET,ANDMUSTRELYONMODERNHIGHTECHMANAGEMENTTOOLSMICROCONTROLLERWITHHIGHINTEGRATION,PROCESSINGCAPABILITY,HIGHRELIABILITY,SIMPLESTRUCTUREANDLOWCOSTADVANTAGES,ANDTHEREFOREISWIDELYUSEDINSTREETLIGHTINGWORKSTHESYSTEMUSESTHEMSC51SCMAT89C51ANDTHEASSOCIATEDOPTICALTESTINGEQUIPMENTTODESIGNINTELLIGENTLIGHTCONTROLOFSTREETLAMPCONTROLLER,EIGHT51SERIESSINGLECHIPPROGRAMMABLECONTROLLOGICI/OPORTSTOACHIEVEINTELLIGENTSTREETLAMPSTOACHIEVEENERGYSAVING,AUTOMATICCONTROLPURPOSEOFTHESCMACQUISITIONPHOTORESISTORORPHOTOELECTRICSWITCHSIGNALTOCONTROLTHELIGHTSOFFBRIGHT,WITHAUTOMATICDETECTIONANDFAULTALARMFUNCTION,ATTHESAMETIME,ACCORDINGTOTHEACTUALSITUATION,THETIMINGSYSTEMTOTIMEFOREFFECTIVECONTROLINTHISDESIGN,THEINPUTSWITCHBUTTONTIMECONTROL,SHOWINGTHESIXDIGITALCONTROLANDLEDDIODE,TIMEFORTHENORMAL24HOURSTOGO,THEAVAILABLEBUTTONSTOADJUSTTHETIMERSWITCHTIME,THROUGHTHEPROCESSTIMEREQUIREDTOSWITCHLIGHTS,STREETLIGHTSWITHLEDLIGHTS,ENERGYSAVINGANDENVIRONMENTALPROTECTION,POWERCONSUMPTIONLOW,SERVICELIFEISLONG,YOUCANGETAGOODECONOMICANDENVIRONMENTALBENEFITSTHISSYSTEMISPRACTICAL,SIMPLEOPERATION,CANEFFECTIVELYSOLVETHEBACKWARDCITYSTREETLIGHTINGSYSTEM,LIGHTINGCONTROLANDMANAGEMENTTOOLSUSEDINTHELAMPSLOWSCIENTIFICANDTECHNOLOGICALCONTENTKEYWORDSMICROCONTROLLER，CONTROL，LED目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111国内外研究现状及课题意义1111课题意义1112国内外研究现状112主要研究的内容413方案论证4131传感电路部分4132执行电路部分5第2章总体设计621设计要求622设计思路623系统框图7第3章硬件设计831单片机概述8311单片机的简介8312单片机的特点932单片机的选型9321AT89C51的简介10322AT89C51特性概述11323单片机的中断系统11324引脚说明11325时钟电路15326存储器系统1533时钟电路1834复位电路19341复位方式19342手动按钮复位19343上电复位2035LM32421351LM324简介21352LM324的特点223674HC573简介2237光敏电阻简介2438按键电路2539显示电路26391显示方式选择26392LED的驱动和显示27310电源电路28311光控电路28312路灯控制电路29第4章软件设计3041主程序3042计时程序3043中断程序3444按键程序3545程序清单36第5章系统调试4851结果分析4852系统调试48521对每个子程序进行调试48522总的程序调试48第6章结论50参考文献51附录A外文参考及中文翻译53附录B系统原理图71致谢72第1章绪论11国内外研究现状及课题意义111课题意义近年来，随着我国经济改革的深入发展和信息化时代的深入，各级政府对城市整体形象工程建设备受重视，他们通过各种方式来开展城市化建设。城市亮化随之也被政府重视，既而大量的资金投入建设与改造中，是我们的城市变得灯火辉煌的同时，诸多问题随之而来我国目前大部分城市采用全夜灯方式照明，可是到了后半夜行人稀少，浪费太大；所以，有些地方采用前半夜全亮，而后半夜全灭的方式，这种方式虽然节约电费支出，但是不利于社会治安，容易引发交通事故。而且，我国大多数地区的路灯关开灯都是采用人工控制或者定时控制，这样也有许多的不利之处；若采用人工控制，则路灯开关存在着一定的不确定性，同时也占用了一定的人力资源；定时控制则存在着夏冬季白黑昼时间不同的情况，有的天还没黑路灯就开，天还没亮路灯就灭的情况，影响人们的日常生活。高效LED照明系统具有省电、轻巧、寿命长、高耐久性等特征，近年来已经越来越多应用于路灯照明系统，其趋势是取代目前广泛采用的高压汞灯的路灯照明。明显地提高了路灯的用电效率，延长了路灯的使用寿命。现阶段，城市路灯照明系统存在的灯光控制方法和管理手段落后，所用灯具科技含量低等问题。为了解决这些缺点与不足，为此，提出了路灯智能化控制，采用高效LED路灯光源，以单片机作为控制中心，利用传感器模块、光控路灯模块来实现。112国内外研究现状随着技术发展和人们对生活质量要求的提高,对城市公共照明系统也提出了新的要求。其发展趋势可以体现在以下几个方面,即精确化控制、多场景控制、网络化控制、节能与快速反应。绿色照明是当今和未来照明领域的重要发展趋势,提高城市照明系统的实时监控,提高城市照明维护响应速度是现代技术发展的必然结果。城市照明监控技术在我国已有将近三十年的发展历史了,从过去简单的有线载波监控和无线监控技术发展到今天的网络通信技术,城市照明监控的理念正在发生变化。近年来，随着科技的不断发展，各种路灯控制器也被不断的研究出来。其中，美国和日本主要集中在研究紧凑型荧光灯和镇流器荧光灯两个方面。而我国目前的市场上有多种路灯节能控制产品，能达到一定的节能效果，但就功能和效果上还不能尽如人意，主要有以下几种情况第一种，采用自耦变压器及磁饱和电抗器的降压技术。其不足是由于反应速度较慢，用电高峰时电压降到非稳定区容易造成灯光闪灭，不能自动调节，同时如果电压突然升高，则会对灯具造成损坏，相对来说稳压效果较差；第二种是采用电子器件构件的可控硅式设备。该设备主要采取简单的相控技术，不足之处是元器件较容易发热损坏。而为了更好的达到控制的目的，现在国内外都开始采用智能控制方式，如光控、声控、时空等，国外甚至开始采用太阳能供能光控方式来控制路灯，基本可以达到完全自给自足的效果。本系统采用的路灯是LED灯。众所周知，LED是目前最为节能的发光元件，通过采用LED发光可以节省大量的电能，并且LED灯发光柔和，亮度适中，对环境无污染，已经广泛的应用于各种照明场合。因此，智能光控节能路灯必将在未来得到广泛的应用。目前LED路灯的配光技术已经有了很大发展，有些厂家已经开发出良好的二次配光系统，而不再是单纯依靠光源排列来配光，但综合看，配光还不能做到完全合理，有些在道路内侧的配光较亮，均匀度也能满足要求，但人行道侧环境光的亮度明显不足，SR值明显不符合要求，还是厂家设计人员对道路照明标准的要求理解不够。LED路灯的色温问题目前大功率LED路灯基本上都是采用5000K6000K色温的白光，作为道路照明光源，在视觉上过分阴冷甚至阴森，同时远视时眼睛的观察能力会下降，在这方面的一些研究中证明，低于3000K的黄光或暖白光是比较适合道路照明的。高压钠灯的相关色温（TCP）为2100K左右，属于暖色温，其显色指数（RA）只有2325，显色性低；而LED路灯现在使用的色温多大于5300K，属于冷色温，较好的产品，其RA可达7080，显色性好。作为机动车行驶的快速通道与主干道，偏黄色光的钠灯，对看清前方90160M左右距离路面状况，效果比白色光略优，特别是在有雾、多尘的空气条件下，钠灯较有优势，相对的LED路灯射程短，在较高的高度下工作，灯光就显得很暗。对于人行道、商业步行街、居住小区等道路，LED的显色性优于钠灯，分辨人的状况更加清晰，较有优势。LED路灯的寿命使用寿命应立足于整个灯的寿命。高压钠灯称标准寿命目前已超过2万小时，实际应用3年左右，节能型电感镇流器不会低于20度，灯具也是如此。LED路灯标称使用寿命是5万小时以上，这是芯片的理想寿命，芯片的封装、灯具散热等因素都有可能光衰减，还有驱动电路（以电子元器件为主）的寿命显然也不能达到5万小时。美国能源之星制订的要求，分为不低于35000H和25000H两档，主要是LED芯片寿命很长，却与封装后的温度，散热等诸多因素有关，另外还有驱动电路装置的电子元器件寿命问题。LED路灯的维护对于光源的维护，高压钠灯若直接更换光源电器，成本较高。而对于LED路灯，现在很多大功率LED灯珠内部集成了齐纳二极管，单颗LED灯珠损坏不会影响整体灯具的亮度，不需要更换，但是要整个光源更换，现场的维护就无法进行了。一旦出现整体故障时，只能整个灯具进行替换维护，这对使用单位来说是很不方便的，还有待今后解决。LED路灯的统一标准LED路灯在产品规格方面缺少统一的技术标准，目前还没有统一的LED路灯生产技术标准，每个厂家都按自己的标准生产自己的产品，彼此之间是很难通用的。而高压钠灯由于技术标准的统一，灯具、光源、电器方面通用性较强，不同厂家之间的产品是可以互用的，从维护角度考虑，这是很重要的，而维护对于路灯管理单位来说则又是重中之重，只有这样才可以及时对熄灭路灯进行维护，保证高的亮灯率，同时大大降低维护成本。LED路灯还没有标准可循，对订购、使用、维护都不利。本设计是采用MSC51系列单片机AT89C51和相关的光电检测设备来设计智能光控路灯控制器，实现了能根据实际光线条件通过8051芯片的P1口控制路灯开关的功能。照明系统能够根据不同区域的不同功能需求，在每天不同时段、不同自然光照度或者不同交通流量情况下，按照特定的设置，实现对道路照明的动态智能化管理，即TPO管理TIME时间PLACE地点OCCASION场合。智能化道路照明控制系统，通过综合考虑和分析与道路照明密切相关的时间、路段、环境照度和交通流量等因素的场景控制方法，在微机中按照预设的控制策略，对道路照明进行动态智能化管理，控制路灯在不同情况下工作在不同状态实现多样化的道路照明场景，从而在提高照明质量的同时获得最佳的节简单的相控技术，不足之处是元器件较容易发热损坏。而为了更好的达到控制的目的，现在国内外都开始采用智能控制方式，如光控、声控、时控等，国外甚至开始采用太阳能供能光控能效果。随着社会文明的不断发展，城市照明已不仅局限于街道的照明，而且发展成了了城市景观等装饰性照明的综合市政工程。社会对亮灯率、开关灯的准确率、故障检测的实时性和维修的及时性要求不断提高，利用51系列单片机可编程控制八位逻辑I/O端口实现路灯的智能化，达到节能、自动控制的目的,避免了传统电路对能源的浪费，且路灯的自动控制更方便了工作人员的管理。本系统实用性强、操作简单。现在许多生产厂家大功率LED的热沉散热壳体应用基本采用不同的合金铝材料，其导热系数不一，一些材料的散热速率难以满足LED工作条件。不可忽略的铝基板及导热硅胶，硅脂材料的导热环节，使用材料的实际寿命质量，将直接影响LED的工作散热条件。如何减少中间环节，直接与热沉散热近距离接触将热量快速达到平衡的有效散热，是现今高质量的LED灯具产品开发需考虑的方向。从对比上看，最好的散热材料也并不是铝材。铜和铝的对比中形成了一种新型的工艺铜铝结合。所谓的铜铝结合就是把铜和铝用一定的工艺完美的结合到一块，让铜快速的把热量传给铝，再由大面积的铝把热量散去，这不但增充了铝的导热不及铜，还弥补了铜的散热不如铝，有机的结合从而达到急速传热快速散热的效果。多篇文章中都阐述了散热是靠面积而不是看体积的大小，许多企业都了解了个中道理，壳体采用多层翅片散热，但对热沉散热壳体的翅片忽略了防尘和积尘，日积月累将会影响壳体的散热效果。应从在自然条件下规避积尘的最小化，不同方向的风和雨的自然冲刷可易性和清除灰尘的粘敷性。保证热沉壳体的散热效果不受恶劣环境的影响，散热通道的畅通，做到真正的长寿命。大家共同来探讨一个设计方式散热是靠面积的道理显而易见，是否可以将散热面做成柱状或多面形锥体。作为解决办法，导热介质就应运而生了，它的作用就是填充两个接触表面之间大大小小的空隙，增大发热源与散热片的接触面积。导热硅脂是我们最常见的导热介质。导热硅脂是用来填充铝基板与散热片之间的空隙的材料的一种，这种材料又称之为热界面材料。其作用是用来向散热片传导铝基板散发出来的热量，使铝基板温度保持在一个可以稳定工作的水平，防止铝基板因为散热不良而损毁，并延长使用寿命。有关人士正研究在热沉材料上进行特殊的陶瓷化处理直接安装线路，经过这样的优化后将会根本解决散热的导热环节。12主要研究的内容本课题主要以模拟路灯控制系统为背景，采用高效LED路灯光源，以AT89C51单片机作为控制中心，利用传感器模块、光控路灯模块、恒流源模块等来实现。根据环境、交通等因素，单片机采用光敏电阻或光电开关的信号控制路灯的亮灭，具有自动检查故障报警等功能；采用切换多种模式设定并实现PWM调光功能，实现了光电控制、时间控制、交通情况检测、故障自动检测与报警功能，节省了电力能源和人力资源。设计主要包括硬件和软件的设计，硬件设计可分为传感器模块和光控路灯模块，包括调光方式设计、时钟芯片的选择、液晶显示器的选择。软件的设计包括画出程序框图、主程序设计、键盘和显示软件设计、各功能程序设计及清单注释。13方案论证131传感电路部分方案一使用光敏电阻与电源相连，通过上拉电阻给51单片机输入信号，并进行相应的后续程序操作。方案二使用光敏电阻和三极管联合驱动的方式，提供给单片机输入传感信号。由于方案二提供的输入信号相对来说对环境的要求较高，难以实现且不符合系统在现实生活中的实用性等原则，故选取方案一。132执行电路部分方案一由单片机端口对相应电路进行操作；方案二使用LM324芯片，含有四个运算放大器，电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用。方案三由单片机对后续的执行元件进行操作，如继电器等相关的执行元件。由于方案二使用LM324芯片等相关元件，使系统的设计更加接近实际应用，在实际应用中，系统是由电子电路电气电路的控制，使用LM324等可使系统的现实性大大增强。第2章总体设计21设计要求本设计是采用高效LED路灯光源，以AT89C51单片机为核心，利用传感器模块、光控路灯模块、恒流源模块等来实现路灯智能化控制。1、根据日照设置光控参数、时间参数；2、可同时控制多路照明、单双间隔开启照明；3、系统要求可自动、手动、紧急三种模式操作；4、系统要求有LED检测模块、声光报警模块、时钟模块。22设计思路一个大型的单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容一是系统扩展，二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，要设计合适的接口电路。硬件电路部分主要包括以下几个部分单片机最小系统、路灯控制电路部分、光电检测电路部分。其中最小系统是51单片机的最基本的组成部分，虽然51单片机的引脚只有四十，但是它有很多的扩展功能，根据相应的课题设计要求可以设计相应的外围电路。根据任务书的要求，分析出需要的功能有具备时钟功能、时间调节的调节、二极管模拟路灯的显示功能、定时开灯关灯的时间调整功能、按键控制功能，光电控制路灯功能。通过硬件电路的分析，当开机后，经过上电复位，时钟显示为175950，这时可以调整时、分、秒按钮进行精确调整到当前时间，进行正常走时。开机后系统内部自定义开路灯时间为180000，关路灯时间为60000，如果不做调整的话，时间就是下午六点钟开灯，早晨6点钟关灯，但春、夏、秋、冬四季的昼夜并不相等，为了更好的节省资源（电力）。本设计中可以进行手动调整，根据四季的变化来调整开路灯和关路灯的时间，更有效的节省资源。本设计中另外的一大特点就是在夜晚1200的时候，路灯会熄灭一半，这种设计也是为了节省资源，因为夜深人静的时候，并不需要太多的路灯照明整个路面，只需要点点灯光就行。然后到早晨六点钟或自己重新设定的时间的时候在关闭其它的路灯。本次设计中共用到了五个按钮和四个发光二极管，用来控制路灯和调整时间。按钮上到下编号为、。为进入调整开灯、关灯的时间按钮,还有为退出调整开灯和关灯的按钮，只有通过它才能有效的退出定义开灯和关灯的调整状态；为调整加一小时的按钮，为调整减一小时的按钮，为调加一分钟的按钮，为调整减一分钟的按钮。发光二极管从上至下的标号是、。、为路灯的左边一排。、为路灯的右边一排。23系统框图单片机光敏电阻声光报警键盘液晶显示路灯控制系统驱动电路数码管显示图21系统框图第3章硬件设计31单片机概述311单片机的简介单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母缩写MCU表示单片机。它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机是采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）、随机数据存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出电路（I/O口）等电路集成到单片芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统。有时还包括定时器/计数器，串行通信口、显示驱动电路（LCD或LED驱动电路）、脉宽调制电路（PWM）、模拟多路转换器以及A/D转换器等电路，并具有独立的指令系统。这些电路能在软件控制之下，准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。它能够单独地完成现代工业控制系统所要求的智能化控制功能。单片机的功能很多比较器；模数/数模转换器；PWM；多种多样的接口；LCD驱动；存储器等等。同时它也是计算机单片微型计算机。部分单片机的计算能力已经比早期PC的CPU强大，速度也越来越快。甚至也有类似双核CPU的设计出现。因为能够运行程序，所以可以做很多的事情。几乎您上网用的计算机能做的事情，它都同样能做。只是能力没那么强大。比如可以读写硬盘、可以接受按键输入、可以显示输出、可以驱动打印、您甚至可以给它接个鼠标。当然这可能涉及一些接口的问题，但是CPU也不是直接做这些事情的。它的输入输出，如前面所说，也是多种多样的。可以是模拟量，也可以是数字量，标准的USB接口也已经集成在了单片机内部。此外，单片机的体积小、价格低、可靠性高、适用面宽、有着其本身的指令系统等诸多优势，在各行各业都得到广泛应用。单片机控制系统已基本取代了以前复杂的电子线路或数字电路构成的控制系统，用软件来实现产品的智能化。现在，单片机的控制范畴无所不在，其应用领域也越来越广泛。单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它从根本上改变了传统的控制方法和设计理念，向着嵌入式系统方向发展。随着嵌入式系统的快速发展和在各行各业的深入应用，人们的电子设备的小型化、智能化的要求也越来越高。在航空航天、机械加工、工程控制、智能仪器仪表、家用电器、通信系统等领域，单片机都正在发生着非常重要的作用。单片机应用技术业已成为现代电子技术应用领域十分重要的高新技术之一，是电子工程技术人员必备的知识技能，它能使你设计出更具智能化和方便的产品。312单片机的特点单片机及其应用系统之所以能发挥着如此重要的作用，归纳起来原因如下单片机具有体积小、功能强、价格低、使用灵活等特点，具有明显的优势和广阔的应用前景。单片机具有独立的指令系统，可以将我们的设计思想充分表达出来，使产品智能化。系统配置以满足控制对象的要求出发点，使得系统具有较高的性价比。应用系统通常将程序驻留在片内（外）ROM中，抗干扰能力强，可靠性高，使用方便。单片机本身并不具备开发能力，一般情况下，需要借助专用的开发工具在相应的开发环境下，进行系统的开发和调试，但最终形成的产品简单实用，成本低，效益高。单片机应用系统所使用的存储芯片可选用EPROM、EEPROM、OTP芯片或利用掩膜形式生产，便于批量生产和应用。大多数单片机如51系列，开发芯片和扩展应用芯片相互配套，降低了系统成本。由于系统小巧玲珑，控制功能强、体积小，便于嵌入被控设备内，大大推动了产品的智能化。随着微电子技术和集成电路技术的迅速发展，目前各个公司研制出了能够适用于各种领域的单片机。高性能的单片机芯片市场也异常活跃，采用新技术，使单片机的种类、性能不断提高，应用领域迅速扩大。单片机的改进和发展归纳起来有以下几个方面CPU得到改进现在CPU开始采用双CPU结构，提高了芯片的处理能力。存储器的发展增大了片内存储器容量；片内采用EEPROM和FLASH可在线编程，读/写更加方便；采用了编程加密技术。内部资源增多片内的资源越丰富，产品的体积就越小，可靠性就越高。I/O接口形式增多性能提高了。引脚的多功能化单片机现在普遍都采用管脚复用的设计方案。低电压和低功耗单片机制造时普遍采用CMOS工艺制作。32单片机的选型单片机的种类很多，最常用的就是8051系列，其常见的型号有AT89C51、AT89C52、AT89S51、AT89S52等。有相当一部分厂家的单片机与8051单片机是基于该系列单片机，从而可以方便地替换该系列单片机，如STC公司、PHILIPS公司等等。一般情况下，52型号的可以直接替换51型号单片机，如果程序不大（CODE区小于4096）的话51型号也可以替换52型号。如果程序较大，还可以采用89C54、89C58等资源更多的单片机。本系统采用的是最常用的AT89C51。321AT89C51的简介MCS51系列单片机是由美国的INTEL公司开发研制，并于1980年推出的产品。与MCS48系列单片机相比，其以典型的体系结构和完善的专用寄存器集中管理方式，方便的逻辑位操作功能及丰富的指令系统5，堪称一代“名机”，为之后的其他单片机的发展奠定了基础。因此，MCS51系列单片机结构先进，功能强大，增加了更多的电路单元和功能模块，指令数达111条。其中的代表作便是AT89C5X系列单片机，而本文所采用的就是AT89C51。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带有2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。图31单片机外形图及引脚图322AT89C51特性概述AT89C51具有以下标准功能4K字节FLASH闪速存储器；128字节内部RAM；32个IO口线；两个16位定时计数器；一个5向量两级中断结构；一个全双工串行通信口；片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。323单片机的中断系统8051具备较完善的中断功能，其中有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。324引脚说明AT89C51的引脚如图所示图32AT89C51管脚图管脚说明VCC电源电压。GND接地。P0口P0口是一组8位漏极开路型双向IO口，也即地址数据总线复用口。每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。当P0口作为输出口用时，在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，而当FLASH在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向IO口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口P2是一个带有内部上拉电阻的8位准双向IO口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向IO，可接收输出4个TTL门电路。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口除了作为一般的IO口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示表01P3口第二功能端口引脚第二功能P30RXD串行输入口P31TXD（串行输出口）P32/INT0（外中断0）P33/INT1（外中断1）P34T0（定时/计数器0外部输入）P35T1（定时/计数器1外部输入）P36/WR（外部数据存储器写选通）P37/RD（外部数据存储器读选通）RESET/复位信号复用脚，当8051通电时，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0R7）的状态，8051的初始态。8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，如下图所示。此外，RESET/还是一复用脚，VCC掉电其间，此脚可接上备用电源，来保证单片机内部RAM的数据不丢失。图03AT89C51的复位方式XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出。振荡器的特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入与输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。ALE当访问外部程序器时，ALE地址锁存的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，同时也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。PIN29当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，当外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。EA/程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4KB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4KB时，读取内部程序存储器指令数据，而当超过4KB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。325时钟电路8051内置最高频率可达12MHZ的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。326存储器系统在计算机的组成结构中，有一个很重要的部分，就是存储器。存储器是一种记忆部件，是用来存储程序和数据的。对于计算机来说，有了存储器，才有记忆功能，才能保证正常工作。存储器的种类很多，8051单片机存储器在物理结构上分为程序存储器空间和数据存储器空间。程序存储器ROM；为了让单片机实现某种功能，需要利用汇编语言或者其他语言编写一些源程序，然后再烧录到芯片中。我们编写的这些程序，就存储在程序存储器空间中。而数据存储器RAM我们编写的源程序，在运行的过程中，会产生一些临时的运算结果，这些结果需要临时存放在一个地方，这个地方就是数据寄存器。8051单片机具有四个存储器空间片内程序存储器，即单片机芯片内置的存储空间。片外程序存储器，即当单片机芯片内置的存储空间不够使用时，我们需要外加的一个存储器芯片。片内数据存储器，即单片机芯片内置的存储空间。片外数据存储器，即当单片机芯片内置的存储空间不够使用时，我们需要外加的一个存储器芯片。从用户使用的角度，8051存储器地址空间分为三类片内片外统一编址的0000HFFFFH的64K字节的程序存储器地址空间，用16位地址。64K字节片外数据存储器空间，地址也是从0000HFFFFH用16位地址。256字节数据存储器空间，用8位地址。表32MCS51系列单片机性能一览表一、程序存储器地址空间8051程序存储器用于存放编写好的程序和表格常数。程序存储器通过16位程序计数器PC寻址。寻址能力为64K字节。片内ROM为4KB。地址为0000H0FFFH。片外最多可扩至64K字节。地址为1000HFFFFH。片内片外是统一编址的。当引脚EA接高电平时，8051程序计数器PC在0000H0FFFH范围内，即前4K字节地址执行片内ROM中的程序。当指令地址超过0FFFH后，就自动转向片外ROM中取指令。程序存储器的某些单元是留给系统使用的。存储单元0000H0002H用作8051上电复位后引导程序存放单元。因为8051上电复位后程序计数器PC的内容为0000H，所以CPU总是从0000H开始执行程序，如果在这三个单元中有跳转指令，那么，程序就被引导到转移指令所指的ROM空间去执行。二、数据存储器空间数据存储器RAM用于存放运算中的结果、数据暂存或缓冲、标志位等。数据存储空间也分为片内和片外两大部分，即片内RAM和片外RAM。1片外数据存储器外部数据存储器又称为外部数据RAM，当805L片内256个字节的数据RAM不能满足数量上的要求时，可通过总线端口和其它IO端口扩展外部数据RAM扩展方法见相关章节，其最大容量可达64K字节。地址从0000HFFFFH。外部数据RAM与内部数据RAM的功用基本相同，但外部数据RAM不能进行堆栈操作。2片内数据存储器MCS51系列单片机的片内数据存储器包括通用数据存储器块和特殊功能寄存器（SFR）块。对于51子系列，前者占128B，其编址为00H7FH，后者也占128B，其编址为80HFFH，二者连续而不重叠。对于52子系列，前者有256B，其编址为00HFFH，后者占128B，其编址为80HFFH，后者与前者高128B的编址是重叠的，由于访问所用的指令不同，所以不会引起混乱。片内数据存储器的容量很小，常需要扩展片外数据存储器。MCS51系列单片机有一个数据指针寄存器，可用于寻址程序存储器或数据存储器单元，它有16位，寻址范围可达64KB。故片外数据存储器的容量可达到与程序存储器一样，其编址自0000H开始，最大可至FFFFH。片内RAM数据存储器最大寻址空间为256字节。他们又分为两个部分。低128字节00H7FH是真正的RAM区。低128字节中地址00H一1FH的32个单元，安排为四组工作寄存器。每组又分为8个寄存器区R0R7。图34AT89C51内部功能图33时钟电路时钟电路是产生CPU校准时序，是单片机的控制核心，它控制着计算机的工作节奏。MCS51系列单片机允许的时钟频率是因型号而不同的。AT89C51的时钟信号可通过内部振荡方式和外部振荡方式两种方式得到。内部振荡方式，AT89C51内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机内部的各个部件，这样就构成了内部振荡方式。外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适合用来使单片机的时钟与外部信号一致。在本次设计中不需要与外部时钟信号保持一致，所以我选择内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。而对于晶振的选择一种是6MHZ的晶振，其机器周期是2US。另一种是12MHZ的晶振，其机器周期是1US,也就是说在执行同一条指令时用6MHZ的晶振所用的时间是12MHZ晶振的两倍。为了提高整个系统的性能我选择了12MHZ的晶振。晶振我选择了12MHZ，相对于6MHZ的晶振，整个系统的运行速度就更快了。电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值我选择了30PF。内部振荡方式所得的时钟信号稳定性高。34复位电路341复位方式单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中。当系统处于正常工作状态时，而且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将其系统复位。单片机系统的复位方式有手动按钮复位和上电复位。342手动按钮复位手动按钮复位需要人为在复位输入端RST加上高电平。一般的方法是将一个按钮开关并联于上电自动复位电路，按一下开关就RST端出现一段时间的高电平，即使器件复位。如图所示图35上电和开关复位343上电复位上电复位是常用的一种复位方式，AT89C51单片机有一个复位引脚RST，它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现2个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平。使元器件复位，只要RST保持高电平，AT89C51保持复位状态。此时ALE、/PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。RST变为低电平后，退出复位，则CPU从初始状态开始工作。复位以后内部寄存器的初始状态为（SP07，P0、P1、P2、P3为0FFH外，其它寄存器都为0）。对于NMOS型单片机，在RST复位端接一个电容至VCCHE一个电阻至VSS，就能实现上电自动复位，对于CMOS单片机只要接一个电容至VCC即可。如图，在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出现一定时间的高电平，只要高电平时间足够长，就可以使AT89C51有效地复位。RST端在加电时应保持的高电平时间包括VCC的上升时间和振荡器起振时间，VCC上升时间若为10MS，振荡器起振时间和频率有关。10MHZ时间约为1MS，1MHZ时约为10MS，所以一般为了可靠地复位，RST在上电时应保持20MS以上的高电平。图25中，RC时间常数越大，上电时RST端保持高电平的时间越长。振荡频率为12MHZ时，典型值为C10UF,R82K。若复位电路失效，加电后CPU从一个随机的状态开始工作，系统就不能正常运转。上电复位电路如下图所示图36上电复位电路在这次的毕业设计中我选择运用上电复位电路即只要一接5V电压,系统就会自动的复位出于可靠性和适时性的考虑，我选择了简单实用的上电复位电路上电后，由于电容充电，使RST持续一段高电平时间。从而实现上电复位操作。我选择的C10UF，R1K。35LM324351LM324简介LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该放大器可以工作在低到30伏或者高于32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。LM324是采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器。除电源共用之外，四组运放是相互独立的。每一组运算放大器可用图一所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“”、“”为两个信号的输入端，“V”、“V”为正、负电源端，“VO”（）为输出端，两个信号输入端中，“VI”（）为反相输入端，表示运放输出端VO的信号与该输入端的位相反；“VI”（）为同相输入端，表示运放输出端VO的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图图37LM324引脚排列图38LM324外形图352LM324的特点LM324的特点可归纳如下（1）短跑保护输出。（2）真差动输入级。3可单电源工作3V32V。4低偏置电流最大100NA（LM324A）。5每封装含四个运算放大器。6具有内部补偿的功能。7共模范围扩展到负电源。8行业标准的引脚排列。9输入端具有静电保护功能。由于LM324芯片四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用于各种电路中。3674HC573简介74HC573是八进制三态非反转透明锁存器，它是高性能硅门CMOS器件。SL74HC573跟LS/AL573的管脚一样的器件。器件的输入是和标准CMOS输出兼容的，加上拉电阻他们能和LS/ALSTTL输出兼容。图3974HC573引脚图表3374HC573引脚功能表引脚号符号名称及功能1/OE3态输出使能输入（低电平）2,3,4,5,6,7,8,9D0TOD7数据输入12,13,14,15,16,17,18,19Q0TOQ73态锁存输出11LE锁存使能输入10GND接地（0V）20VCC电源电压对于原理说明74HC573的八个锁存器都是透明D型锁存器，当使能（G）为高时，则Q为输出将随数据（D）输入而变。当使能（G）为低时，输出将锁存在已经建立的数据电平上。输出控制不会影响锁存器的内部工作，即老数据还可以保持，而且甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。这样的电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并且驱动总线，不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O通道，双向总线驱动器和工作寄存器。锁存器的使用可以大大的缓解处理器这方面的压力。当处理器把数据传输到锁存器并将其锁存后，锁存器的输出引脚便会一直保持数据的状态直到下一次锁存新的数据为止。37光敏电阻简介光敏电阻器又称光导管，特性是指在特定的照射下，其阻值迅速减小，可用于检测可见光。光敏电阻器是利用半导体的光电效应而制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光增强，电阻值减小，入射光减弱，电阻值增大。光敏电阻一般用于光的测量、光的控制和光电转换等。光敏电阻器通常是由光敏层、玻璃基层（或树脂防潮膜）和电极等组成。光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将它封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极通常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。并且通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状的欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以避免受潮影响其灵敏度。当入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也将恢复原来的值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便会有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而增大，从而实现了光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件。使用时既可以加直流电压，也可以加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。光敏电阻的原理结构如下图所示。图310光敏电阻原理图图311光敏电阻结构图在黑暗环境下，它的电阻值很高，当它受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照所产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值的下降。光照越强，阻值越低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复到原值。光敏电阻属于半导体光敏器件，除了具有灵敏度高，反应速度快，光谱特性好以及R值一致性好等特点外，在高温、多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，并且广泛应用于照相机，太阳能庭院灯，草坪灯，石英钟，礼品盒，路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。38按键电路在单片机系统中，通常有且仅有一键按下才视为按键有效。有效的确认方式通常可以分为两类。第一类是按下释放键方式，系统要求从按下倒释放键才算一次有效